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专利号: 2021112763193
申请人: 中国科学院深圳先进技术研究院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-12-01
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种相机全系统的波像差检测系统,其特征在于,包括检测模块和分析模块,所述检测模块包括光源装置、单色装置和整形装置,各装置按预设顺序布置、且中心对准公共光轴;

所述分析模块用于根据待测相机的光学参数计算波长组合,以及采集并处理不同波长下的成像图像,结合成像波长、所述待测相机镜片的折射率以及所述检测模块的波前计算所述待测相机的波像差;

所述光源装置用于输出复色光,在可见光波段提供持续稳定的连续光谱输出;

所述单色装置用于对所述复色光进行分光处理,输出所述波长组合中各个波长对应的单色光;

所述整形装置用于对所述单色光进行波面整形,以获取均匀平行光束,所述波面整形包括空间滤波、准直扩束和光束直径调整;

所述待测相机的光轴对准所述公共光轴,用于接收所述均匀平行光束并进行成像,以得到不同波长下的成像图像。

2.根据权利要求1所述的波像差检测系统,其特征在于,所述检测模块还包括调整装置,所述待测相机位于所述调整装置上;

所述调整装置用于调节所述待测相机的位置和姿态,使所述待测相机的成像镜头对准所述检测模块的出光口,且所述待测相机的光轴对准所述公共光轴。

3.根据权利要求2所述的波像差检测系统,其特征在于,所述光源装置为宽谱复色光源,包括白光LED、卤素灯、氘灯、氙灯、钨灯。

4.根据权利要求2所述的波像差检测系统,其特征在于,所述单色装置包括第一透镜、滤光片转轮和第二透镜,所述滤光片转轮上设置有滤光片,所述第一透镜和所述第二透镜的中心对准所述公共光轴;

所述滤光片转轮位于所述第一透镜和所述第二透镜之间,且存在滤光片对准所述公共光轴,所述光源装置的发光点位于所述第一透镜的前焦点处;

所述第一透镜用于将所述复色光由发散光准直为近似平行光的第一平行光;

所述滤光片转轮上设置有多个滤光片,用于滤除所述第一平行光中的预设光谱成分,得到呈窄带光谱的单色光;

所述第二透镜用于将所述单色光会聚到所述第二透镜的后焦点处。

5.根据权利要求4所述的波像差检测系统,其特征在于,所述整形装置包括针孔、可变光阑和第三透镜,且所述针孔、所述可变光阑和所述第三透镜的中心对准所述公共光轴;

所述可变光阑位于所述针孔和所述第三透镜之间;

所述针孔位于所述第二透镜的后焦点处,用于对所述第二透镜会聚的单色光进行空间滤波,得到球面光波;

所述针孔位于所述第三透镜的前焦点处,所述第三透镜用于将所述球面光波准直为均匀分布的平行光束,得到均匀平行光束;

所述可变光阑用于通过调节光阑的大小控制所述均匀平行光束的光束直径。

6.根据权利要求4所述的波像差检测系统,其特征在于,所述滤光片转轮包括转盘和不同波长的滤光片;

所述转盘上设置有沿圆周均匀分布、且贯穿所述转盘的开孔,所述滤光片覆盖在所述开孔上,以使所述转盘转动时切换不同波长的滤光片、且切换后的滤光片的中心对准所述公共光轴。

7.根据权利要求2所述的波像差检测系统,其特征在于,所述单色装置包括第一狭缝、第一反射镜、凹面准直镜、平面反射光栅、凹面成像镜、第二反射镜和第二狭缝;

所述第一狭缝为长条细狭缝,位于所述凹面准直镜的前焦点处,用于将所述复色光由发散光波转换为长条细发散光;

所述第一反射镜用于将所述第一狭缝射出的长条细发散光反射到所述凹面准直镜;

所述凹面准直镜用于将所述长条细发散光准直为近似平行光的第二平行光,并将所述第二平行光照射到所述平面反射光栅处;

所述平面反射光栅能够将不同波长的光以不同的反射角度射出,用于将所述第二平行光进行色散分光并反射到所述凹面成像镜中;

所述凹面成像镜用于会聚所述平面反射光栅射出的光,由于不同波长的光的反射角度不同,所述平面反射光栅射出的光会聚到所述凹面成像镜中的焦面的位置不同;

所述第二狭缝位于所述凹面成像镜的焦面处,将通过所述第二狭缝的会聚光束作为所述单色装置输出的单色光。

8.根据权利要求7所述的波像差检测系统,其特征在于,所述第一狭缝和所述第二狭缝的狭缝方向相同,将所述第一狭缝的狭缝方向作为垂直分光平面方向;

所述平面反射光栅可围绕所述垂直分光平面方向旋转,以改变通过所述第二狭缝的单色光的波长。

9.根据权利要求7所述的波像差检测系统,其特征在于,所述整形装置包括第一整形透镜、整形针孔、整形可变光阑和第二整形透镜,各部分按照所述第一整形透镜、所述整形针孔、所述整形可变光阑和所述第二整形透镜的顺序布置、且中心对准所述公共光轴;

所述整形针孔所在平面和所述第二狭缝所在平面关于所述第一整形透镜互成成像共轭面;

所述第一整形透镜用于压缩所述单色光,并会聚到所述整形针孔处得到会聚光束;

所述整形针孔用于对所述会聚光束进行空间滤波,出射第一球面波;

所述整形针孔位于所述第二整形透镜的前焦点处,所述第二整形透镜用于将所述第一球面波准直为均匀分布的平行光束,得到均匀平行光束;

所述整形可变光阑位于所述整形针孔和所述第二整形透镜之间,用于通过调节光阑的大小控制所述均匀平行光束的直径。

10.根据权利要求1所述的波像差检测系统,其特征在于,所述分析模块具体包括:根据所述待测相机的光学参数,计算波长组合,所述光学参数包括镜头在预设波长的焦距、出瞳直径、镜头的镜片材料折射率随波长变化的关系函数;

采集所述波长组合中各个波长下的成像图像,并统一转化为灰度图像;

计算所述波长组合中每个波长的平均图像,并根据所述平均图像计算每个波长的归一化图像;

在每个波长对应的归一化图像中,于预设位置截取预设像素大小的子图像,使成像光斑位于所述子图像的中心位置;

获取每个波长对应的成像点扩散函数,结合成像目标和所述子图像构建目标评价函数,所述成像点扩散函数中包括所述检测模块在每个波长时的出射光束的光程差;

利用最优化估计算法,求解所述目标评价函数最小时、所述待测相机在所述预设波长下的第一光程差;

根据所述第一光程差计算所述待测相机在所述预设波长下的成像波像差。

11.根据权利要求10所述的波像差检测系统,其特征在于,所述关系函数利用包括Couchy色散公式、Hartmann色散公式、Conrady色散公式或Hetzberger色散公式进行求解。

12.根据权利要求10所述的波像差检测系统,其特征在于,还包括波前传感器;

所述检测模块的出射光束的光程差获取包括:在所述检测模块的出光口设置所述波前传感器;

调整所述波前传感器的位置和姿态,使所述波前传感器的光轴对准所述公共光轴;

通过所述波前传感器测量各个波长的波前相位,并根据波前相位计算光程差。

13.一种相机全系统的波像差检测方法,应用于权利要求1所述的波像差检测系统中,其特征在于,包括如下:

调整待测相机的位置和姿态,使所述待测相机的镜头位于在所述检测模块的出光口处、且光轴与所述检测模块的公共光轴对齐;

分析模块根据待测相机的光学参数计算波长组合;

光源装置输出复色光,在可见光波段提供持续稳定的连续光谱输出;

单色装置对所述复色光进行处理,输出所述波长组合中各个波长对应的单色光;

整形装置对所述单色光进行波面整形,以获取均匀平行光束,所述波面整形包括空间滤波、准直扩束和光束直径调整;

所述待测相机接收所述均匀平行光束并进行成像,以得到不同波长下的成像图像;

所述分析模块采集并处理不同波长下的成像图像,结合成像波长、所述待测相机镜片的折射率以及所述检测模块的波前计算所述待测相机的波像差。

14.根据权利要求13所述的波像差检测方法,其特征在于,所述波像差的计算过程具体包括:

根据所述待测相机的光学参数,计算波长组合,所述光学参数包括镜头在预设波长的焦距、出瞳直径、镜头的镜片材料折射率随波长变化的关系函数;

采集所述波长组合中各个波长下的成像图像,并统一转化为灰度图像;

计算所述波长组合中每个波长的平均图像,并根据所述平均图像计算每个波长的归一化图像;

在每个波长对应的归一化图像中,于预设位置截取预设像素大小的子图像,使成像光斑位于所述子图像的中心位置;

获取每个波长对应的成像点扩散函数,结合成像目标和所述子图像构建目标评价函数,所述成像点扩散函数中包括所述检测模块在每个波长时的出射光束的光程差;

利用最优化估计算法,求解所述目标评价函数最小时、所述待测相机在所述预设波长下的第一光程差;

根据所述第一光程差计算所述待测相机在所述预设波长下的成像波像差。

15.根据权利要求14所述的波像差检测方法,其特征在于,计算波长组合具体包括:设所述待测相机的镜头在预设波长λ1的焦距为F,出瞳直径为D,镜头的镜片材料的折射率随波长变化的关系函数为n(λ),在所述预设波长λ1下的折射率为n1,且存在n1=n(λ1);

存在n2和n3,且n2和n3满足:其中k为调节系数,优选地,0.8≤k≤1.2;

根据所述关系函数n(λ),求解λ2和λ3,使λ2和λ3满足n(λ2)=n2,n(λ3)=n3;

所述波长组合为{λ1,λ2,λ3}。

16.根据权利要求15所述的波像差检测方法,其特征在于,对所述波长组合{λ1,λ2,λ3}中的每个波长λm,采集N幅图像Tmn,其中,m代表波长下标,m=1,2,3,n代表代表图像序号,n=1,2,3…N;

对所述波长组合{λ1,λ2,λ3}中的每个波长,计算平均图像,所述平均图像的表达式为:其中,Tm表示平均图像,N表示每个波长对应的成像图像总数量;

根据所述平均图像Tm计算归一化图像:其中,tm代表归一化图像,m代表波长下标,m=1,2,3,(x,y)为图像像素坐标位置;

对归一化图像t1,截取像素大小为M×M的子图像t1s,使成像光斑位于t1s的中心位置;

对归一化图像t2和t3,分别在与归一化图像t1截取位置相同的位置截取子图像t2s和t3s。

17.根据权利要求16所述的波像差检测方法,其特征在于,所述目标评价函数的表达式为:

其中,o为成像目标,*代表卷积运算,h1、h2、h3为成像点扩散函数,h1、h2、h3的表达式分别为:

其中,Wb1、Wb2、Wb3分别为检测模块在波长为λ1、λ2、λ3时出射光束的光程差,P为相机系统的光瞳函数,F·代表傅里叶变换,W1为在波长为λ1时待测相机产生的光程差。

18.根据权利要求17所述的波像差检测方法,其特征在于,利用最优化估计算法,求解所述目标评价函数的最小值,进而求解在所述目标评价函数最小时对应的第一光程差和第一成像目标;

所述第一光程差和所述第一成像目标的原理公式如下:E(oe,W1e)=min{E(o,W1)}其中,oe表示第一成像目标,W1e表示第一光程差;

计算所述待测相机系统在波长λ1下的成像波像差:其中,φ表示成像波像差,λ1表示预设波长。